用光蝕刻技術製備鐵電液晶顯示器間隔物及相關特性之研究

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(1)國立中山大學光電工程研究所碩士論文. 用光蝕刻技術製備鐵電液晶顯示器間隔物及相關特性之研究 Fabrication of Spacers for Ferroelectric Liquid Crystal Display Using Photolithographic Technique and A Study of Their Characteristics. 研究生：王君旗撰指導教授：鄭文軍博士. 中華民國九十七年六月.

(2) 中文摘要表面雙穩態鐵電液晶器件具有快速應答時間、雙穩態特性，且驅動方式為 In Plane Switching(IPS)而具備了廣視角的特性。但由於表面雙穩態鐵電液晶器件為一薄型器件，其液晶盒厚度均勻性控制困難，且表面穩定鐵電液晶在配向時容易產生 zigzag 缺陷。在本研究中主要利用 SU-8 光阻劑以光蝕刻技術製作光刻型間隔物 (Photospacer)，並將其厚度控制在 1.08μm。藉由 Photospacer 的製作，我們可以得到厚度相當均勻的液晶盒樣品，並有效改善薄型器件液晶盒厚度不均的問題。實驗中也探討不同液晶灌注方向下，配向膜表面特性與 Photospacer 對於表面穩定鐵電液晶配向的影響。我們發現在鐵電液晶灌注方向採用逆摩擦方向灌注時，表面穩定鐵電液晶配向較容易受 Photospacer 影響而產生缺陷。此外摩擦三次的配向膜表面在順、逆摩擦方向的浸潤特性相當，且鐵電液晶灌注方向採用順摩擦方向灌注，可使表面穩定鐵電液晶具有較佳的配向效果。. 關鍵字：接觸角延遲量、表面自由能、光刻型間隔物、表面穩定鐵電液晶器件. I.

(3) Abstract Surface stabilized ferroelectric liquid crystal device (SSFLCD) has fast response time and exhibits excellent bistability. The SSFLCD has wide view angle because it operates in the in plane switching (IPS) mode. However, SSFLCD is a thin device, the uniform of its cell gap is difficult to control. When surface stabilized ferroelectric liquid crystal align, it is easy to bring in zigzag defect. In this study, the use of SU-8 photoresist to make photospacer by using photolithographic technique is studied. We control the thickness of photospacer at 1.08μm. By using photospacer, we can get the cell with uniform cell gap. The influence of the property of the alignment layer and photospacer on surface stabilized ferroelectric liquid crystal alignment are discussed. We find that when the liquid crystal is injected anti-parallel to the rubbing direction, the alignment of Surface stabilized ferroelectric liquid crystal is easily influenced by photospacers. Wetting characteristics of the substrates is found to strongly affect the alignment of the ferroelectric liquid crystal.. Key word: Hysteresis Of Contact Angle, Surface Free Energy, Photospacer, SSFLCD. II.

(4) 致謝轉眼間兩年的碩士班生涯就要結束，在這兩年忙碌的研究生活中，雖然忙碌但卻很踏實也獲得了許多。在這首先感謝我的指導教授鄭文軍老師，帶領我進入液晶的領域，在研究的路上給予我正確的觀念及實驗上的引導。另外還要感謝已經畢業的學長(益智、英志、勇彰)對實驗室建設的貢獻，使我們有個良好的研究環境。還有學長們(陸翔、征晏、志宏、百騰)在實驗上的協助及討論，及我親愛的同學(信評、紹偉、仲隆、雅婷)，不只有感謝在實驗上的協助還有生活上的解憂，此外還有可愛的學弟們(明宏、一仁、兆亦、宗哲)在各方面的協助。最後我要感謝ㄧ直在背後默默支持我的家人們，讓我可以無憂無慮的唸完碩士班。並感謝我的女友在我的身旁陪伴著我，給我無限的關懷與心靈上的寄託。感恩的話語道不盡，仍是一句，謝謝！. III.

(5) 目錄中文摘要. Ⅰ. 英文摘要. Ⅱ. 致謝. Ⅲ. 目錄. Ⅳ. 圖目錄. Ⅶ. 表目錄. Ⅹ. 第一章. 緒論. 1. 第二章. 基本理論介紹. 3. 2-1 液晶簡介 2-2. 3. 表面穩定鐵電液晶器件. 6. 2-2-1. Chevron層狀結構. 2-2-2. Zigzag缺陷. 10. 2-2-3. Monodomain鐵電液晶器件. 11. 2-3. 8. 間隔物(Spacer). 12. 2-3-1. 傳統間隔物(Spacer)特性. 12. 2-3-2. 光刻型間隔物(Photospacer)特性. 13. 2-4. 接觸角. 2-4-1. 16. 接觸角延遲量. 17. IV.

(6) 表面自由能. 17. 2-5. 液晶盒厚度量測原理. 20. 2-6. 預傾角量測原理. 21. 第三章. 實驗方法與儀器. 25. 2-4-2. 3-1 材料介紹. 25. 3-2 液晶樣品製作及量測流程. 27. 3-3 光蝕刻設備. 36. 3-4 接觸角量測系統. 39. 3-4-1. 動態接觸角量測. 40. 3-4-2. 靜態接觸角量測. 42. 3-5. 液晶盒厚度量測系統. 43. 3-6. 預傾角量測系統. 45. 配向膜表面特性分析. 47. 第四章. 4-1 表面粗糙度. 47. 4-2 動態接觸角. 50. 4-3 靜態接觸角. 54. 4-4 預傾角. 60. 第五章 5-1. Photospacer 特性分析. 61. Photospacer 均勻性及表面粗糙特性. 61. V.

(7) Photospacer 密度對配向膜表面特性的影響. 63. 鐵電液晶配向分析. 64. 5-2 第六章. 6-1 Photospacer 對鐵電液晶配向之影響. 64. 6-2 配向膜表面特性對鐵電液晶配向的影響. 68. 第七章. 結論. 71. 參考文獻. 73. 附錄. 76. VI.

(8) 圖目錄 Fig. 2-1.1 桿狀液晶分子在不同液晶態中的排列示意圖。. 4. Fig. 2-1.2 層列型(Smectic)液晶示意圖. 5. Fig. 2-1.3 層列型液晶於 Smectic C*態示意圖. 5. Fig. 2-2.1 SSFLC 液晶分子在電場驅動下的排列方向示意圖. 7. Fig. 2-2.2 鐵電液晶層由 SmA 相轉為 SmC*相時之示意圖. 8. Fig. 2-2.3 書架結構與兩種 Chevron 結構示意圖. 9. Fig. 2-2.4 C1 與 C2 結構形成條件示意圖. 10. Fig. 2-2.5 Zigzag 缺陷對應 Chevron 結構示意圖及 Zigzag 缺陷照片. 11. Fig. 2-3.1 間隔物(Spacer)功用示意圖. 12. Fig. 2-3.2 傳統 Spacer 示意圖. 13. Fig. 2-3.3 正型光阻曝光顯影示意圖. 14. Fig. 2-3.4 負型光阻曝光顯影示意圖. 15. Fig. 2-4.1 接觸角與三相界面張力關係圖. 16. Fig. 2-4.2 液晶分子在基板上之各種傾角排列狀態. 18. Fig. 2-5.1 雷射光入射空液晶盒樣品示意圖. 20. Fig. 2-6.1 旋轉晶體法量測系統示意圖. 21. Fig. 2-6.2 水平配向，預傾角 0~15 度量測曲線示意圖. 22. Fig. 2-6.3 傾斜配向，預傾角 15~70 度量測曲線示意圖. 23. VII.

(9) Fig. 2-6.4 垂直配向，預傾角 70~90 度量測曲線示意圖. 24. Fig. 3-1.1 SU-8 負型光阻化學結構與曝光後化學結構變化示意圖. 26. Fig. 3-2.1 液晶樣品製作及量測流程圖. 27. Fig. 3-2.2 配向膜的製程步驟. 29. Fig. 3-2.3 液晶實驗室自製摩擦配向機. 29. Fig. 3-2.4 摩擦配向與配向膜的功用示意圖. 30. Fig. 3-2.5 反平行配向與平行配向液晶盒示意圖. 31. Fig. 3-2.6 鐵電型液晶不同灌注方向示意圖. 32. Fig. 3-2.7 原子力顯微鏡(AFM). 33. Fig. 3-2.8 表面粗度儀(Aalpha-step). 34. Fig. 3-2.9 熱台偏光顯微鏡. 35. Fig. 3-3.1 SU-8 Photospacer 製作流程圖. 36. Fig. 3-3.2 Photospacer 密度示意圖. 38. Fig. 3-3.3 以 SU-8 Photospacer 作為間隔物的 SSFLCD. 38. Fig. 3-4.1 接觸角量測系統. 39. Fig. 3-4.2 順、逆摩擦方向之接觸角示意圖. 40. Fig. 3-4.3 動態接觸角示意圖. 41. Fig. 3-5.1 液晶盒厚度量測系統. 43. Fig. 3-5.2 光強度對應入射角度關係圖. 44. VIII.

(10) Fig. 3-6.1 預傾角量測系統. 45. Fig. 3-6.2 光穿透強度對應入射角度關係圖. 46. Fig. 4-1.1 不同摩擦次數之配向膜表面型態。(a)~(g)分別為配向膜表面經摩擦 0~6 次的表面型態. 48. Fig. 4-1.2 配向膜表面粗糙度對應摩擦次數曲線圖. 49. Fig. 4-2.1 去離子水接觸角對應摩擦次數曲線圖. 51. Fig. 4-2.2 前進接觸角對應摩擦次數曲線圖. 51. Fig. 4-2.3 後退接觸角對應摩擦次數曲線圖. 52. Fig. 4-2.4 配向膜表面接觸角延遲量對應摩擦次數曲線圖. 53. Fig. 4-3.1 實驗中測試液體的穩定時間. 55. Fig. 4-3.2 配向膜各方位角之表面自由能分佈圖形. 56. Fig. 4-3.3 表面自由能對應不同摩擦方位角曲線圖. 57. Fig. 4-3.4 表面自由能對應摩擦次數曲線圖. 58. Fig. 4-3.5 表面瀰散能對應摩擦次數曲線圖. 58. Fig. 4-3.6 表面極性能對應摩擦次數曲線圖. 59. Fig. 4-4.1 預傾角角度對應不同摩擦次數關係圖. 60. Fig. 5-1.1 薄膜厚度對應旋轉塗布轉速曲線圖. 62. Fig. 5-1.2 平均表面粗糙度對應旋轉塗布轉速曲線圖. 62. Fig. 6-1.1 線狀 Photospacer 之 SSFLCD 光學圖像. 65. IX.

(11) Fig. 6-1.2 點狀 Photospacer 之 SSFLCD 光學圖像. 66. Fig. 6-2.1 順摩擦方向灌注之 SSFLCD 光學圖像。(a)~(f)分別為 SSFLC 在順摩擦方向灌注、摩擦次數為 1~6 次的光學圖像. 69. Fig. 6-2.2 逆摩擦方向灌注之 SSFLCD 光學圖像。(a)~(f)分別為 SSFLCD 在逆摩擦方向灌注下、摩擦次數為 1~6 次的光學圖像。. 69. Fig. 6-2.3 光穿透強度對應摩擦次數曲線圖. 70. 表目錄表 3-1.1 E7 特性. 25. 表 3-1.2 CS1031 特性. 25. 表 3-3.1 SU-8 曝光時間參數. 37. 表 3-4.1 測試液體的表面自由能參數. 42. 表 3-5.1 間隔物厚度與液晶盒厚度量測誤差值. 44. 表 5-2.1 Photospacer 對配向膜表面特性的影響. 63. X.

(12) 第一章. 緒論. 在鐵電液晶的應用中，表面穩定鐵電液晶器件(SSFLCD)為目前使用最廣的技術。由於 SSFLCD 的驅動方式為 In Plane Switching (IPS)，所以具有廣視角的特性。另外 SSFLCD 在應答速度方面可達微秒等級，相較於現行液晶顯示器產業所使用的向列型液晶，具有更快速的應答時間。在 SSFLCD 的製作中，由於需有效的提取其鐵電性，所以液晶盒厚度需控制在 2 μm 以下，且液晶盒厚度的均勻度將是影響顯示效果的一大主因。 SSFLCD 除了對液晶盒厚度有特殊的要求之外，在配向的過程中也容易產生 zigzag 光學缺陷。所以本研究將探討 Photospacer 應用於 SSFLCD 中的相關特性，以及配向膜表面特性和液晶灌注方向對鐵電液晶配向的影響。關於表面穩定鐵電液晶方面有許多的研究及理論基礎，而本論文僅就實驗中所需具備的相關知識在第二章中作簡單的介紹。其中可以了解液晶的物理特性及表面穩定鐵電液晶器件的驅動方式，並且說明 Zigzag 缺陷產生的主要原因與消除的方法。另外也會對液晶顯示器間隔物做介紹，以及各種量測方法的基礎理論，例如摩擦強度、接觸角、液晶盒厚度、預傾角，都會在本章節中介紹。第三章將會介紹實驗中所採用的材料、樣品的製備方法與流程、 Photospacer 的製作方法與流程。另外也會將接觸角量測、液晶盒厚度. 1.

(13) 量測與預傾角量測的方法及其儀器架構在本章節中做介紹。在第四章中探討摩擦配向對配向膜表面粗糙度與表面特性的影響，並且探討配向膜表面特性對液晶分子之預傾角的影響。在第五章中針對 Photospacer 的厚度均勻性與表面粗糙度作分析，並討論 Photospacer 密度對於配向膜表面特性的影響。第六章主要探討不同液晶灌注方向下，Photospacer 與配向膜表面特性對表面穩定鐵電液晶配向的影響。最後為本論文實驗上的總結。. 2.

(14) 第二章. 基本理論介紹. 2-1 液晶簡介液晶相為介於固態與液態之間的中間態(mesomorphic phase)，其具有液體的流動性同時又保持了晶體的一些物理特性。在西元1888 年，奧地利植物學家 F. Reinitzer首先發現了液晶1。隔年，德國物理學家 O. Lehann以偏光顯微鏡觀察發現其具有雙折射(birefringence) 效應2。. 液晶依呈現方式的不同，可分為熱致型液晶(Thermotropic liquid crystals)與溶致型液晶(Lyotropic liquid crystals)兩大類3,4。熱致型液晶在特定溫度區間內有特定且穩定的液晶相態，可利用溫度的控制得到特定的液晶相態。溶致型液晶則是依混合濃度的不同而具有某些特定的液晶相態。此外依液晶分子形狀的不同，大致可分為桿狀、碟狀、彎曲香蕉狀等，本論文中主要以熱致型桿狀分子液晶作為研究對象。. 熱致型桿狀液晶依照分子排列方式的不同，大致可分為向列型 (Nematic)液晶、膽固醇(Chiral nematic)液晶、層列(Smectic)型液晶，如 Fig. 2-1.1 所示。. 3.

(15) Fig. 2-1.1 桿狀液晶分子在不同液晶態中的排列示意圖。. 向列型(Nematic)液晶為目前應用最廣的液晶相，其分子的質量中心在位置排列上無序，但其分子長軸整體排列則呈現有序的指向，稱 G. 為導軸 n (director)5，如 Fig. 2-1.1(a)所示。. 膽固醇(Chiral nematic)液晶其內部液晶分子排列與向列型液晶類 G. 似，但在層與層之間分子導軸 n 的指向會有偏轉。當分子導軸指向隨螺旋軸旋轉 2π 的距離時，稱為一個螺距(pitch)，如 Fig. 2-1.1(b)所示。這類型液晶材料具有旋光特性，常以 N*表示此液晶相。. 層列型(Smectic)液晶其分子成層狀結構排列，如Fig. 2-1.1(c)所示。由於其有序度較近似於晶體，所以又稱為近晶相。依照其分子長軸與層面形成不同夾角，可細分為A相至H相，如SmA、SmB、SmC 等。當液晶分子長軸垂直於層面時稱為層列A相(SmA)，而分子長軸以某一 θ 角傾斜於層面時稱為層列C相(SmC)，如Fig. 2-1.2所示。 4.

(16) Fig. 2-1.2 層列型(Smectic)液晶示意圖。. 當 SmC 相液晶中摻雜旋光材料或是其本身具有旋光性分子時，會使得液晶分子排列除了具有 SmC 相的特徵外，並隨著層面之法線方向做螺旋排列，而形成一個圓錐(cone)狀的分布，液晶分子與層面法線之夾角為 θ ，如 Fig. 2-1.3 所示，這也就是所謂的 SmC*相。. Fig. 2-1.3 層列型液晶於Smectic C*態示意圖。 5.

(17) 2-2 表面穩定鐵電液晶器件西元1975年，物理學家R. B. Meyer從結構性的對稱推論，具有層狀結構的液晶分子在SmC*相時存在著一自發偶極性(spontaneous polarization, PS)6，如Fig. 2-1.3所示，此自發偶極方向可藉由電場來調控，我們稱之為鐵電性(ferroelectricity)。 N. A. Clark與S. T. Lagerwall在西元1980年發表了表面穩定鐵電液晶(Surface Stabilized Ferroelectric Liquid Crystal, SSFLC)的結構7。表面穩定鐵電液晶器件(Surface Stabilized Ferroelectric Liquid Crystal Device, SSFLCD)是將鐵電性液晶置於兩片間隙小於一個螺距的導電玻璃中，由於鐵電性液晶與邊界相互作用使液晶分子排列受到限制而無法形成螺旋的層狀排列，並使得每一層液晶分子指向一致。在解除螺旋態後，在能量分布對稱下，液晶分子有兩種穩定狀態的選擇方式，分別以±θ的角度傾斜排列於層之法線，其自發偶極Ps方向垂直於液晶分子之指向。SSFLCD中液晶分子轉動是藉由電場(E)與自發偶極 PS之間的力矩(Γ)，如(2-2.1)式。 JG JJG JG Γ = Ps ×E. (2-2.1). 由於液晶分子在此器件存在兩個相同能量的穩定態，所以即使電場取消後，液晶分子依然穩定在圓錐的某一端，直到相反極性的電場作用時，液晶分子才又轉動至另一穩定態。在相互垂直的偏光片中藉. 6.

(18) 由相反極性的電場驅動，表面穩定鐵電液晶可呈現亮態與暗態兩種穩定態，即為所謂的雙穩態(bistable state)，如Fig. 2-2.1所示。. Fig. 2-2.1 SSFLC液晶分子在電場驅動下的排列方向示意圖。. 在科學應用上表面穩定鐵電液晶相較於向列型液晶有許多優點，如快速光電應答特性、記憶特性、廣視角特性…等優點。表面穩定鐵電液晶具有自發偶極性，使得SSFLCD具有快速光電應答特性，其驅動時間可達到數個μs到數百μs之間，且此應答速度大約是傳統向列型液晶顯示器的數百倍左右。表面穩定鐵電液晶的亮態與暗態之間的雙穩態切換不會隨著電場的移除而消失，所以具有記憶特性，藉由這種記憶特性可製作做光學儲存元件。表面穩定鐵電液晶的運行方式與IPS類似，所以具有廣視角的特性。雖然表面穩定鐵電液晶具有許多優點，但在製程上仍有許多困難有待克服。由於SSLCD為一超薄型器件，其液晶盒的間隙必須小於 2μm，如此微小的間隙造成液晶盒厚度均勻性控制困難，若是液晶盒. 7.

(19) 間隙均勻度控制不良，容易造成器件瑕疵。此外表面穩定鐵電液晶在配向時容易產生zigzag缺陷，造成漏光現象而使對比度降低。此兩缺點為本論文極力探討與解決的重點。. 2-2-1 Chevron層狀結構表面配向對於表面穩定鐵電液晶所形成的層狀結構有很大的影響。當鐵電液晶在SmA相時，液晶層的間距dA與液晶分子長軸大小相等，在鐵電液晶降溫至SmC*相時，其液晶層的間距會變小成為dC，如Fig. 2-2.2所示，其關係式如(2-2.1)式。 d C = d A cos δ. (2-2.1). 其中δ為鐵電液晶分子在SmC*相時，液晶層的傾斜角度。. Fig. 2-2.2 鐵電液晶層由SmA相轉為SmC*相時之示意圖。. 當鐵電液晶由 SmA相轉為 SmC* 相時，理應形成書架型結構 (bookshelf structure)，如Fig. 2-2.3(a)所示。由於SmA相與SmC*相存在 8.

(20) 層的間隔不連續性，液晶分子受到上下基板邊界作用力束縛，液晶分子為了形成SmC*相的型態而造成液晶層彎曲，形成所謂的Chevron 結構 8,9 。液晶層彎曲時會產生兩種不同狀態的 Chevron 結構，當 Chevron結構之尖端順著摩擦方向時稱為C2結構，反之當Chevron結構之尖端逆著摩擦方向時稱為C1結構10-12，如Fig. 2-2.3(b)(c)所示。. Fig. 2-2.3 書架結構與兩種Chevron結構示意圖。. 從幾何結構可以清楚知道C1與C2結構形成的必要條件12，如Fig. 9.

(21) 2-2.4所示，其中α為預傾角、θ 為圓錐角、δ為chevron結構的層面傾斜角。當高預傾角時只有C1結構會產生，當低預傾角時C1與C2結構皆會產生12-14。. Fig. 2-2.4 C1與C2結構形成條件示意圖。. 2-2-2. Zigzag缺陷. 當鐵電液晶器件中同時存在C1與C2結構時，在C1與C2結構交集處會因漏光而呈現zigzag缺陷，如Fig. 2-2.5所示。在偏光顯微鏡下觀察，可以在Chevron結構尖端對應處，看到較為平緩的缺陷，稱之為髮夾型缺陷(Hairpin defect)。或是在Chevron結構凹陷對應處，看到較為尖銳的缺陷，稱之為閃電形缺陷(Lightning defect)15。 Zigzag缺陷會造成鐵電液晶器件產生亮暗不均的現象，使的液晶器件之對比度降低。在暗態驅動時，液晶樣品會產生漏光；亮態驅動時，液晶樣品穿透率會降低。 10.

(22) Fig. 2-2.5 Zigzag缺陷對應Chevron結構示意圖及Zigzag缺陷照片。. 2-2-3 Monodomain鐵電液晶器件鐵電液晶器件中zigzag缺陷的形成與預傾角(α)、圓錐角(cone angle, θ )、chevron結構的層面傾斜角(chevron angle, δ)以及配向膜表面特性息息相關。因此許多文獻中提出了不同的方法，以解除鐵電液晶器件中的zigzag缺陷。例如在鐵電液晶由SmA相轉換成SmC*相時，外加電場、磁場使層狀結構的方向ㄧ致16,17。亦可藉由改變配向膜表面特性，使鐵電液晶呈現單一均勻C1或C2結構。比方利用摩擦配向的方式，使鐵電液晶呈現單一均勻C2結構18-20。使用非接觸式的 UV光配向21-24或以SiOx斜向蒸鍍的方式製作配向膜25，使鐵電液晶呈現單一均勻C1結構。 11.

(23) 2-3 間隔物(Spacer) 間隔物(Spacer)是用來控制液晶顯示器中兩片基板間隙(cell gap) 的重要元件，如 Fig. 2-3.1 所示，液晶顯示器的間隙均一性是由 Spacer 材料的大小均一性及在基板上的分佈位置來決定。液晶器件的 Spacer 厚度均一性對於液晶顯示器的顯示速度、視角、明亮對比等特性具有相當大的影響。所以 Spacer 必須具有良好的顆粒大小均一性、足夠的機械強度、對液晶分子不會造成污染、低的介電常數，良好的熱穩定性…等特性 26。. Fig. 2-3.1 間隔物(Spacer)功用示意圖。. 2-3-1 傳統間隔物(Spacer)特性目前傳統間隔物(Spacer)主要以 Silica 或是塑膠為主體的球型材料，傳統 Spacer 依據材料不同，可區分為以下三種 27： 1. 球狀(Plastic Bead)：一般材料有 Melamine、Benzoquanamine resin、 Acrylate 等高分子材料製成的球體形狀間隔物，如 Fig. 2-3.2(a)所. 12.

(24) 示。 2. 球狀(Silica)：由 Silica 材料製成的球體形狀間隔物，如 Fig. 2-3.2(b) 所示。 3. 棒狀(Glass fiber，non-alkaline)：由 Silica 材料裁製而成的棒狀間隔物，如 Fig. 2-3.2(c)所示。. Fig. 2-3.2 傳統 Spacer 示意圖。. 以 silica 或是塑膠為主體的球型間隔物材料，其主要缺點為容易導致漏光而造成 LCD 面板對比值降低，及機械強度不足會造成 LCD 面板強度不夠。由於球型間隔物是噴灑在 LCD 面板上，所以會有流動或者凝集的情形，造成顯示器面板亮度不均或顏色改變等現象。. 2-3-2 光刻型間隔物( Photospacer )特性為了改善球狀 Spacer 所產生的漏光現象、機械強度差及位移等缺點，近年來利用光刻型間隔物( Photospacer )替代球狀 Spacer 已成了 13.

(25) 一種發展的趨勢，而 Photospacer 主要是以光阻( Photo-Resist )為材料。光阻材料依據化合物對光反應的機制不同，可分為正型光阻及負型光阻，這兩種光阻材料皆適用於 Photospacer 製作。正型光阻經 UV 光照射後，感光部分的化學結構會改變，並在顯影過程中被去除，如 Fig. 2-3.3 所示。負型光阻經 UV 光照射後，感光部分的化學結構產生改變，並在顯影過程中去除沒有感光的部份，如 Fig. 2-3.4 所示。. Fig. 2-3.3 正型光阻曝光顯影示意圖。. 14.

(26) Fig. 2-3.4 負型光阻曝光顯影示意圖。. Photospacer 利用光蝕刻製程(Photo Lithography Process)方法製作，經由光阻材料塗布、曝光、顯影、烘烤等步驟得到所需間隔物厚度。由於 Photospacer 是利用光微影製程方法，所以厚度均勻性佳，且厚度可依據需求來選擇塗布條件。而運用於液晶顯示器之間隔物的光阻材料必須具備有足夠的機械強度、對液晶分子不會造成污染、具有精確定位的功效、膜厚的均勻性、良好密著度、良好耐熱耐化性等優點。. 15.

(27) 2-4 接觸角接觸角是表面物理化學的重要參數之一，其定義為當固、液、氣三態平衡時，液體之切線通過三相接觸點與固體之夾角，如 Fig. 2-4.1 所示。透過接觸角的量測可得到固、氣、液三相介面間相互作用的許多訊息，例如表面浸潤特性、表面粗糙度、化學多相性等。在許多的研究及應用上，常常會遇到固、氣、液三相介面的問題，而接觸角是目前獲得這些訊息最有效的方法之一。接觸角的基本理論是 Young 在西元 1805 年提出的 Young 方程式 32，如(2-4.1)式所示。 σ lg cos θ = σ sg −σ sl. (2-4.1). 其中 σlg 為液-氣間的介面張力，σsg 為固-氣間的介面張力，σsl 為固液間的介面張力，θ 為接觸角。Young 方程式描述了接觸角和三相界面張力之間的關係。. Fig. 2-4.1 接觸角與三相界面張力關係圖。. 16.

(28) 2-4-1 接觸角延遲量許多研究發現，在實際的表面上接觸角並非如 Young 方程式所表示的取值唯一，而是會在兩個相對穩度的角度之間變化，此現象被稱為接觸角滯後(contact angle hysteresis)現象 33,34。其最大取值為前進接觸角( θ A) ，最小取值為後退接觸角( θ R)，接觸角延遲量(Δ θ )可由下式定義 33,34 。 Δθ = θ A −θ R. (2-4.2). 當接觸角延遲量大時，液體在基板上的浸潤特性較佳，反之接觸角延遲量小時，液體在基板上的流動特性較佳。藉由量測液體在基板上的前進接觸角與後退接觸角，而得到接觸角延遲量，可了解液體在基板表面上的浸潤特性。. 2-4-2 表面自由能表面張力是指液體表面每單位長度延展所需要的力，它的單位是牛頓/公尺(N/m)。而表面自由能則是指單位面積形變所需的功，其單位是焦耳/公尺2(J/m2)。表面張力與表面自由能在數值上是相同的，只是因作用力或者是功而有所不同。所以在本實驗中定義表面張力即為表面自由能。在Porte's Model中提出液晶分子預傾角與介面張力間的關係，如 (2-4.3)式所示35。 17.

(29) γ LS (θ ) = γ S +γ L (θ ) − 2 γ L (θ ) ⋅ γ S = ( γ L − γ L (θ )) 2. (2-4.3). 其中 θ 為液晶分子與基板法線方向之夾角，γS 為基板之表面張力，γL 為液晶之表面張力，γLS 為液晶及基板間之介面張力。當 θ 帶入介面張力方程式(2-4.3)中，若可以使得液晶及基板間的介面張力為最小值，如(2-4.4)式所示，則液晶分子將順著該角度做排列。 ∂γ. LS. (θ ). ∂θ. =. γS ⎤ ∂γ L (θ ) ⎡ ⎢1 − ⎥ γ L (θ ) ⎦ ∂θ ⎣. (2-4.4). 在Fig. 2-4.2中展示了液晶分子在基板上所會發生的各種傾角排列狀態。若基板表面張力小於液晶分子在 θ =0度時的表面張力，則液晶分子將呈現垂直排列(Homotropic alignment)。若基板表面張力介於液晶分子在 θ =0度及 θ =90度的表面張力之間時，則液晶分子將會呈現傾角排列(Tilted alignment)。若基板表面張力大於液晶分子在 θ =90度時的表面張力，則液晶分子將呈現水平排列 (Homogeneous alignment)。. Fig. 2-4.2 液晶分子在基板上之各種傾角排列狀態。 18.

(30) 由以上的說明可以得知，基板表面自由能對液晶分子排列具有相當大的影響性。實驗中我們利用計算表面自由能的方法，主要採用的是The Owens-Wendt-Rabel and Kaelble method36。表面自由能又可分為瀰散(disperse) σ D 與極性(polar) σ P 兩個部份，液體與氣體、固體與氣體之表面張力分別如(2-4.5)、(2-4.6)式所示。固體與液體間的表面表面張力為 γ sl 。 σ l = σ Dl +σ Pl. (2-4.5). σ s = σ Ds +σ Ps. (2-4.6). 根據Owens and Wendt所推導出來的方程式， γ sl 可以(2-4.8)式表示，藉由(2-4.7)與(2-4.1)兩式聯立，即可推導出新的線性方程式，如 (2-4.8)式。 γ sl = σ s +σ l −2( σ Ds ⋅σ Dl + σ Ps ⋅σ Pl ) (1 + cos θ ) ⋅ σ l 2 σ Dl. = σ Ps. (2-4.7). σ Pl + σ Ds σ Dl. (2-4.8). 利用數種已知極性張力及彌散性張力的液體，並量測其接觸角大小，代入(2-4.8)線性方程式中，即可求得基板的表面自由能。當基板表面自由能較大時，也代表著基板表面親水性較強，反之當基板表面自由能較小時，基板表面拒水性較強。. 19.

(31) 2-5 液晶盒厚度量測原理入射雷射光可看成許多相互平行的入射光，利用雷射光在旋轉的空液晶盒樣品中多次反射，如 Fig. 2-5.1 所示，其光程差的建設性與破壞性干涉產生的週期性的震盪圖形，即可利用(2-5.1)式求出液晶盒間距的大小 37。. Fig. 2-5.1 雷射光入射空液晶盒樣品示意圖。公式推導如下： Δδ (光程差)= ⇒. 2d -2d tan θ sinθ = mλ cosθ. (2-5.1). 2d (1 − sin 2θ ) = mλ cosθ. (2-5.2). ⇒ 2d cos θ = mλ. (2-5.3). 當光程差為波長之整數倍時，會產生建設性干涉。若入射角度為 θ1 與 θ2 均為建設性干涉，即有穿透極大值。 2d cos θ 1 = m 1 λ. (2-5.4). 2d cos θ 2 = m 2 λ. (2-5.5). Δmλ = m 2 λ − m 1 λ = 2d cos θ 2 −2d cos θ 1. (2-5.6). d=. Δmλ 2(cos θ 2 − cos θ 1 ). (2-5.7). 20.

(32) 2-6 預傾角量測原理液晶分子通常以一角度傾斜於基板表面，液晶長軸與基板表面所夾之角度稱之為預傾角(Pretilt Angle)。然而預傾角的量測方法有旋轉晶體法(Crystal rotation method)38,39、磁場量測法 40 等。實驗中以旋轉晶體法為預傾角量測方法，以下將介紹旋轉晶體法的量測方法。. 旋轉晶體法操作原理如 Fig. 2-6.1 所示，液晶樣品為反平行配向，其擺放在相互垂直之偏極片中與偏極片夾 45 度角。利用光線以 45 度線偏振極化光射入液晶層中，由於液晶為單光軸物質，所以平行液晶光軸與垂直液晶光軸之光線會產生光程差 δ( θ )，其光程差 δ( θ )對應穿透度關係如(2-6.1)式。 2 G 2 1 ⎡1 ⎤ T (θ ) = E = sin ⎢ δ (θ ) ⎥ 2 ⎣2 ⎦. (2-6.1). Fig. 2-6.1 旋轉晶體法量測系統示意圖。. 當液晶分子預傾角在 0~15 度之間時，其光程差 δ( θ )經由推導. 21.

(33) 後，可表示為(2-6.2)式。 δ (θ ) =. 1 ⎤ 2π d ⎡ 1 2 2 1 a 2b2 2 12 1 2 2 2 (a b )sin α cos α sin θ (1 sin θ ) (1 b sin θ ) + ⎢ 2 ⎥ 2 λ ⎣c c c b ⎦. (2-6.2). (其中 a=1/ne，b=1/no，c2=a2cos2α+b2sin2α，θ 為平台旋轉角度，d 為液晶盒厚度。) 由實驗中可得知光穿透率與轉動角度的關係如 Fig. 2-6.2 所示，由圖中可發現曲線圖以一 θ 值為對稱軸，左右兩邊對稱。此一入射角度同時也是相位差對角度關係圖之極大值所在，利用極值所在處為分等於零，如(2-6.3)式。 ∂δ (θ ) =0 ∂θ. (2-6.3). 由上式即可推得(2-6.4)式。 1 − 1 2 2 a 2b 2 a 2 b2 2 − 12 2 2 (a - b )sinα cosα − 3 (1 - 2 sin θ ) sinθ + b(1 - b sin θ ) 2 sin θ = 0 c2 c c. (2-6.4). 再將 θ 帶入(2-6.4)式，即可得到 α 值，α 值即為預傾角角度。. 光程差曲線 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0. 0.6. 穿透率 T(%). 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 -60. -50. -40. -30. -20. -10. 0. 10. 20. 30. 40. 50. 光程差 δ(θ). 穿透率曲線. 60. 旋轉角度θ(度). Fig. 2-6.2 水平配向，預傾角 0~15 度量測曲線示意圖。. 22.

(34) 當液晶分子預傾角在 15~70 度之間時，光程差對應穿透率會成一震盪波形，如 Fig. 2-6.3。由圖中可知當穿透率最大時光程差 δ( θ )可寫成(2-6.5)式，當穿透率最小時光程差 δ( θ )可寫成(2-6.6)式。 1 π δ (θ m ) = ± mπ , m = 1, 2,3... 2 2. (2-6.5). 1 δ (θ n ) = ± nπ , n = 1, 2,3... 2. (2-6.6). 利用兩個相鄰最大穿透率值可將(2-6.5)式改寫成(2-6.7)式。 1 1 δ (θ m+1 ) − δ (θ m ) = π 2 2. (2-6.7). 利用兩個相鄰最小穿透率值可將(2-6.6)式改寫成(2-6.8)式。 1 1 δ (θ n +1 ) − δ (θ n ) = π 2 2. (2-6.8). 再藉由(2-6.7) (2-6.8)兩式相除可得到(2-6.9)式。 δ (θ m +1 ) − δ (θ m ) =1 δ (θ n +1 ) − δ (θ n ). (2-6.9). 再分別將 θ 1、 θ 2、 θ 3、 θ 4 帶入(2-6.9)式，即可得到 α 值，α 值即為預傾角角度。. θ1. 0.6. θ2. 穿透率T(%). 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1. θ3. θ4. 0 -60 -50 -40 -30 -20 -10. 0. 10. 20. 30. 40. 50. 60. 旋轉角度θ(度). Fig. 2-6.3 傾斜配向，預傾角 15~70 度量測曲線示意圖。 23.

(35) 當液晶分子預傾角在 70~90 度之間時，由於對稱點的入射光平行於液晶光軸，理論上無光程差產生，對於液晶有效折射率為 no。由實驗中可得知光穿透率與轉動角度的關係如 Fig. 2-6.3 所示，由圖中可發現曲線圖以一 θ 值為對稱軸，左右兩邊對稱。因此可運用 Snell's law 將 no 及對稱光入射角度 θ 帶入，即可求得預傾角 α，如(2-6.5)式所示。 n 0 sin(90 − α ) = 1 ⋅ sin θ. (2-6.5). 光程差曲線. 穿透率 T(%). 0.6. 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0. 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 -60. -50. -40. -30. -20. -10. 0. 10. 20. 30. 40. 50. 光程差δ(θ). 穿透率曲線. 60. 旋轉角度θ(度). Fig. 2-6.4 垂直配向，預傾角 70~90 度量測曲線示意圖。. 24.

(36) 第三章. 實驗方法與儀器. 3-1 材料介紹實驗中主要使用的材料有液晶、聚亞醯胺(Polyimide, PI)、SU-8 負型光阻，以下將分別介紹其相關特性。. 液晶材料採用的有 E7(Merck) 以及鐵電液晶 CS1031(Chisso)，其詳細資料分別如表 3-1.1 及表 3-1.2 所示。. 液晶材料. E7. 相變溫度. Cr (-10°C) N (60°C) Iso. ne. 1.75. △n. 0.2269 表 3-1.1 E7 特性。. 液晶材料. CS1031. 相變溫度. Cr (-12°C) SmC* (60°C) SmA (85°C) N* (97°C) Iso. 自發偶極距( Ps ). -28.1 nC/cm2. Cone angle ( θ ). 19 deg. △n. 0.17 表 3-1.2 CS1031 特性。. 25.

(37) 在實驗中我們使用的配向膜材料為水平配向 PI，其型號為 JALS-9800-R1(5%, JSR Chemical)，此配向膜調控液晶分子之預傾角約在 5 ~ 7 度之間。. 光阻劑採用的是 SU-8(GM-1040, Gersteltec)負型光阻，SU-8 光阻劑是一種負性、環氧樹脂型、近紫外線光阻劑，其化學結構與曝光後化學變化如 Fig. 3.1 所示。由於 SU-8 光阻劑具有非常好的硬度、抗化學腐蝕性、熱穩定性和不導電等特性，所以經常被應用在微流道系統、奈米柱陣列、製作精密金屬齒輪、蕊片新封裝、絕緣體的使用 41-45。實驗中我們利用 SU-8 光阻劑在 ITO 玻璃基板上製作 Photospacer，並將其運用於鐵電液晶器件中液晶盒間隙均勻度的改善。. Fig. 3-1.1 SU-8 負型光阻化學結構與曝光後化學結構變化示意圖。. 26.

(38) 3-2 液晶樣品製作及量測流程液晶樣品製作及量測流程分別為製程步驟、表面量測及光學量測三個項目，如 Fig. 3-2.1 所示。以下將分別詳述各項目中的方法及流程。. Fig. 3-2.1 液晶樣品製作及量測流程圖。. 在製程步驟裡共分為七個階段，有 ITO 玻璃清洗、 SU-8 Photospacer 製作、旋轉塗佈配向液、摩擦配向、液晶盒製作、液晶灌注及液晶盒封裝。首先介紹ITO玻璃清潔的方法，玻璃基板清潔主要目的是在去除玻璃基板表面微顆粒及有機溶劑。清洗步驟分為三階段，第一步將ITO. 27.

(39) 玻璃放置於UV光導管下，調整UV曝光機出光強度為40％、曝光時間 60秒，對ITO玻璃曝光以去除附著於基板之生物細菌分子。第二步將 ITO玻璃放置入燒杯，在超音波清洗機內洗淨，使用清洗液Neutracon 重量百分比5％混合去離子水(DI Water)清洗十五分鐘，再將ITO玻璃置放到裝有去離子水的燒杯中清洗十五分鐘，重復上述流程兩次。第三步使用異丙醇沖洗ITO玻璃表面，再置於裝有丙酮的燒杯中清洗十分鐘，將清洗好的ITO玻璃置於裝有異丙醇的燒杯中，清洗十分鐘，即完成ITO玻璃清洗步驟。. SU-8 Photospacer 製作主要是利用光罩對準機搭配實驗室所繪製的光罩進行 Photospacer 的製作，其製作方法將在 3-3 節介紹。完成 SU-8 Photospacer 製作後，接下來進入旋轉塗布配向液的階段。首先將水平配向 PI -JALS-9800-R1(5%)從冰箱取出，置於室溫四個小時以防止 PI 容易吸附水氣而產生劣化的情形。配向膜的製程步驟可分為 ITO 玻璃預烤、旋轉塗布 PI、軟烤以及固烤等四個步驟，如 Fig. 3-2.2 所示。第一步將 ITO 玻璃基板置於平板加熱台上以 100 °C 烘烤 10 分鐘，以去除水氣，烘烤完成後將基板置於室溫冷卻。第二步將已去除水氣的基板置於旋轉塗布機中，在基板上均勻塗布 PI 溶液，再以 114 rpm/sec 等加速度到 4000 rpm，維持 4000 rpm 等速度 40 秒，再以 114 rpm/sec 等減速度降至 0 rpm。第三步將已塗布 PI 溶液之基板放置於 28.

(40) 平板加熱台上，以 50 ℃烘烤時間 10 分鐘。第四步將完成軟烤的基板放入烤箱中以 210 ℃固烤一小時。. Fig. 3-2.2 配向膜的製程步驟。. 摩擦配向採用的儀器為本實驗室自製的摩擦配向機，如Fig. 3-2.3 所示，其中包含了電源供應器、訊號產生器、摩擦機台以及步進馬達控制器。. Fig. 3-2.3 液晶實驗室自製摩擦配向機。 29.

(41) 配向膜在液晶顯示器中最主要的功用在於使液晶分子具有方向性，當配向膜經由單一方向的摩擦後，可使液晶分子朝固定方向排列 28-30. ，如Fig. 3-2.4(b)所示。摩擦配向大多使用絨布上的絨毛來對配向. 膜表面做摩擦的動作，如Fig. 3-2.4(a)所示。此外不同的摩擦深度與摩擦次數皆會對配向膜表面造成不同的影響，所以利用摩擦強度(RS) 來量化摩擦參數，摩擦強度的定義如(3-2.1)式所示31。 ⎡ 2π rω ⎤ − 1⎥ RS = N ⋅ Λ ⎢ ⎣ υ ⎦. (3-2.1). 其中N 為摩擦次數，Λ為絨毛之入毛深度，r為滾輪之半徑，ω 為滾輪轉速，ν 為平台移動速度。. Fig. 3-2.4 摩擦配向與配向膜的功用示意圖。. 此外在摩擦的方法上，主要是定義配向絨毛滾輪轉動之切線方向為摩擦方向(Rubbing direction)，而移動平台為反向移動，如3-2.4(a) 所示。實驗中摩擦參數分別設定，滾輪轉速(ω)為135 rpm、平台移動. 30.

(42) 速度(ν) 30 mm/min、滾輪之半徑(r)為3 cm、入毛深度(Λ)為0.3 mm、摩擦次數(N)為1~6次。. 液晶盒製作的方法，實驗中依據不同的液晶使用不同的配向方式及不同液晶盒間隙控制材料。在 E7 液晶器件採用的間隙控制材料為一般 20 μm 的球狀 Spacer，其液晶盒採用的配向方式為反平行配向，如 Fig. 3-2.5(a)所示。在薄型鐵電型液晶(CS1031)器件採用的間隙控制材料為 SU-8 Photospacer(1.08 μm)，其液晶盒採用的配向方式為平行配向，如 Fig. 3-2.5(b)所示。. Fig. 3-2.5 反平行配向與平行配向液晶盒示意圖。. 液晶灌注的方法，在實驗中依據液晶的不同也有所不同。E7 液晶灌注方法主要是將製作好的反平行配向液晶盒放置於熱台上，並將熱台溫度調整到液晶為液態時所需的溫度，再利用毛細現象使液晶沿著兩片基板縫隙流入液晶盒中，灌入液晶後以每分鐘 5 ℃降溫到室溫。鐵電型液晶(CS1031)灌注方法是將製作好的平行配向液晶盒放置 31.

(43) 於熱台上，並將熱台溫度調整到液晶為液態時所需的溫度，再利用毛細現象使液晶沿著兩片基板縫隙流入液晶盒中，灌入液晶後以每分鐘 0.2 ℃降溫到室溫。然而在鐵電液晶灌注方法中，其液晶灌注方向分為兩種，分別為順摩擦方向灌注與逆摩擦方向灌注，如 Fig. 3-2.6 所示。. Fig. 3-2.6 鐵電型液晶不同灌注方向示意圖。. 液晶樣品盒最後的封裝，主要是將灌好液晶之樣品盒前後注入口以AB膠封合，以避免液晶與空氣直接接觸，而產生液晶污染的現象，即完成液晶樣品製作之最後製程。. 表面量測分為原子力顯微鏡(Atomic Force Microscopy)量測、表面粗度儀(alpha-step)量測、動態接觸角量測與靜態接觸角量測等四個部份。實驗中我們使用放置於國立中山大學貴重共同儀器中心之原子力顯微鏡(Dimension 3100, Digital)，如 Fig. 3-2.7 所示。我們利用原子 32.

(44) 力顯微鏡量測配向膜表面經過不同次數摩擦後表面型態的變化，其掃描區域為 5μm×5μm。. Fig. 3-2.7 原子力顯微鏡( AFM )。. 實驗中我們使用國立中山大學有機光電實驗室所擁有的表面粗度儀(Dektak 150, Veeco)為量測表面高低起伏的儀器，如 Fig. 3-2.8 所示。實驗上利用表面粗度儀量測 SU-8 薄膜曝光顯影前後的厚度曲線及表面粗糙度，我們先定義如何使用表面粗度儀取得厚度。在量測未曝光的 SU-8 薄膜厚度時，先取一片製好具有 SU-8 薄膜的 ITO 玻璃，再使用刀片在邊緣處對 SU-8 薄膜以直線切割，目的在使 ITO 玻璃表面與 SU-8 薄膜表面呈現斷層，以便使用表面粗度儀量測，我們對斷面取 ITO 玻璃表面為基準零點，斷面高度與基準零點之距離求出. 33.

(45) 厚度資訊。若是量測 SU-8 薄膜經曝光顯影後的薄膜厚度時，由於 SU-8 為負型光阻，曝光區域與未曝光區域對於顯影劑溶解度不同，可留下我們所需的圖騰。此時顯影劑溶解為曝光區域 SU-8 光阻而裸露出基板表面，我們定義基板表面為座標零點，SU-8 與基板形成斷面求得厚度曲線。此外動態接觸角與靜態接觸角量測將在 3-4 節中詳細說明。. Fig. 3-2.8 表面粗度儀( Aalpha-step )。. 光學量測分為三個部分，分別是液晶盒厚度量測、預傾角量測及光學圖像觀測。其中液晶盒厚度量測系統及預傾角量測系統將在 3-5、3-6 節中詳細說明，以下介紹光學圖像觀測。實驗中我們利用熱台偏光顯微鏡對鐵電液晶器件做光學圖像觀. 34.

(46) 測。熱台偏光顯微鏡系統，如 Fig. 3-2.9 所示，其中包含了偏光顯微鏡(Axioscop 40, ZEISS)及溫度控制系統為(TMS 94, Linkam)。實驗中利用偏光顯微鏡對樣品做光學圖像的觀測，並使用裝置在顯微鏡光管上的數位相機(PowerShot A620, Canon)擷取光學圖像。. Fig. 3-2.9 熱台偏光顯微鏡。. 35.

(47) 3-3 光蝕刻設備實驗中利用 SU-8 光阻劑製作 Photospacer，並將其運用於 SSFLCD 中。Photospacer 製程步驟可分為 ITO 玻璃預烤、旋轉塗布光阻劑、軟烤、曝光、曝後烤、顯影、固烤等七個步驟，如 Fig. 3-3.1 所示。. Fig. 3-3.1 SU-8 Photospacer 製作流程圖。. 36.

(48) 第一步將 ITO 玻璃置於平加熱台上以 100 °C 烘烤 10 分鐘，以去除水氣，烘烤完成後將基板置於室溫冷卻。第二步將已去除水氣的基板置於旋轉塗布機中，在基板上均勻塗布光阻劑，再以 114 rpm/sec 等加速度到所需的加速度後，維持等速度 40 秒，再以 114 rpm/sec 等減速度降至 0 rpm。第三步將已塗布光阻劑之基板放置於平板加熱台上軟烤，以 50 ℃烘拷 10 分鐘、95 ℃烘拷 30 分鐘。第四步利用光罩對準機以及光罩對基板作曝光的動作，其曝光參數如表 3-3.1 所示，其曝光時間參數為實驗中不斷嘗試的結果中所得到的最佳參數。. 塗布轉速( rpm/s ) 1000 曝光時間( S ). 15. 1500. 2000. 3000. 4000. 5000. 6000. 13. 12. 10. 9. 9. 9. 表 3-3.1 SU-8 曝光時間參數。. 第五步將完成曝光之基板放置於平板加熱台上，以 95 ℃烘拷 20 分鐘。第六步將基板置於 SU-8 顯影劑中 120 秒，以洗去未曝光的部份，再將基板用異丙醇沖洗，以確認顯影完全，若基板上有殘留光阻，則將基板放入 SU-8 顯影劑中 10 秒，再將基板用異丙醇沖洗。第七步將顯影完成之基板放入烤箱，以 135 ℃烘拷 60 分鐘，即完成 SU-8 Photospacer 製程步驟。實驗中我們所製作的 Photospacer 圖騰有以下五種，如 Fig. 3-3.2. 37.

(49) 所示，其中包含線狀及點狀 Photospacer。我們依據其在基板上的分布數量，將其以每平方公分中分布的 Photospacer 個數作密度(個/cm2) 區分。由於線狀 Photospacer 只分佈在基板兩側，我們將其密度定義為 0 個/cm2。. Fig. 3-3.2 Photospacer 密度示意圖。. Fig. 3-3.3 為實驗中以 SU-8 Photospacer 製作的 SSFLCD 在亮、暗態時的圖像，其製作參數分別為線狀 Photospacer 厚度 1.08 μm、配向膜之摩擦參數為摩擦次數 3 次與入毛深度 0.3 mm、液晶盒為平行配向、液晶灌注方向為順摩擦方向灌注。由圖中可看出 SSFLCD 在亮、暗態皆有良好的表現。. Fig. 3-3.3 以 SU-8 Photospacer 作為間隔物的 SSFLCD。. 38.

(50) 3-4 接觸角量系統實驗中我們利用接觸角量測系統(DSA 100, KRÜSS)探測配向膜表面特性，如Fig. 3-4.1所示。藉由接觸角量測系統可取得量測液體在基板上的動態接觸角、靜態接觸角以及表面自由能等量測資訊。. Fig. 3-4.1 接觸角量測系統。. 在接觸角量測液體方面，我們使用的液體有五種，分別為去離子純水(DI Water)、二碘甲烷(Diiodo-Methane)、甘油(Glycerol)、乙二醇 (Ethylene glycol) 以及乙二醇 40% 加水 60%(Ethylene glycol-H2O 60%)。另外為了探討摩擦方向所帶來的影響性，所以在量測液體接觸角時，我們定義液體與表面各方向之接觸角我們稱為方位角. 39.

(51) (Azimuthal angle)，而順摩擦方向即為方位角0度的位置，逆摩擦方向為方位角180度的位置，如Fig. 3-4.2 所示。. Fig. 3-4.2 順、逆摩擦方向之接觸角示意圖。. 3-4-1 動態接觸角量測通常表面流動特性是以水的動態接觸角大小做為指標，所以實驗中主要使用去離子純水作為量測液體。而在做前進接觸角量測時，需先在待測基板上滴一微量液滴(約 3 μl)，並開取綠色外框抓取液體外型作為基準點，再將注水針管置於液滴中，以等速率 1 μl/min 注入液體。當液滴邊界超過綠色外框線時，則開始量測液滴前進接觸角，如 Fig. 3-4.3(a)所示。在後退接觸角量測時，以等速率 1 μl/min 回抽液體。當液滴邊界小於綠色外框時，即可開始作液滴後退接觸角量測。當外框線呈現紅色時，系統將開始抓取後退接觸角，如 Fig. 3-4.3(b) 40.

(52) 所示。由於實驗中配向膜表面經摩擦配向後，在順摩擦方向與逆摩擦方向具有不同的表面特性，造成液滴沿順摩擦方向與逆摩擦方向產生不同的流動特性，而不適用ㄧ般光滑表面接觸角延遲量的定義。所以我們必須重新定義適合配向膜表面所使用的接觸角延遲量(contact angle hysteresis, Δ θ )。由(2-5.2)式，我們重新改寫接觸角延遲量(Δ θ )為液滴沿順摩擦方向前進接觸角( θ. A(a))與順摩擦方向後退接觸角之差值. ( θ R(a))，如( 3-4.1 )式所示。 Δθ = θ A( a ) −θ R ( a ). (3-4.1). 透過液滴與基板表面之前進接觸角與後退接觸角的量測，可以了解配向膜表面的浸潤特性。在量測中，液滴之前進接觸角最大與最小值相差的範圍約為 1 度，液滴之後退接觸角最大與最小值相差的範圍約為 2 度。. Fig. 3-4.3 動態接觸角示意圖。 41.

(53) 3-4-2 靜態接觸角量測靜態接觸角量測主要使用液體為二碘甲烷(diiodo-Methane)、甘油 (glycerol)、乙二醇(Ethylene glycol)、乙二醇 40%加水 60% (Ethylene glycol-H2O 60%)等四種，其液體資訊如表 3-4.1 所示。由於去離子純水對於環境的穩定性不佳，會造成表面自由能的計算數據嚴重偏差，所以不予採用，改以實驗室自行調配的乙二醇 40%加水 60% (Ethylene glycol-H2O 60%)液體替代去離子純水以增加表面自由能中數據中極性部分的數值。藉由量測液體在基板表面上的接觸角，帶入表面自由能計算公式中，即可得到基板的表面自由能、表面瀰散能、表面極性能等資訊。實驗中我們也利用手動旋轉平台，量測配向膜表面不同方位角表面自由能的分布狀況。. 液體名稱二典甲烷. IFT (mN/m). Disperse (mN/m). Polar (mN/m). 50.8. 50.8. 0. 63.4. 37. 26.4. 47.7. 30.9. 16.8. 55.9. 19.8. 36.7. (diiodo-Methane, strom) 甘油 (glycerol, strom) 乙二醇 (Ethylene glycol, strom) 乙二醇 40%加水 60% (Ethylene glycol-H2O 60%) 表3-4.1 測試液體的表面自由能參數。 42.

(54) 3-5 液晶盒厚度量測系統液晶盒厚度通常會影響液晶顯示器之光學特性，所以我們利用液晶盒厚度量測系統量測液晶盒厚度，其系統架構及光路如 Fig. 3-5.1 所示。. Fig. 3-5.1 液晶盒厚度量測系統。. 液晶盒厚度量測方法主要是利用電動旋轉平台轉動空液晶盒樣品，量測光強度對應入射角度之關係，如Fig. 3-5.2所示。由圖中分別找出兩個峰值所在的角度 θ 1為23度與 θ 2為27.5度，將峰與峰之間的波谷數△m為2代入(2-5.7)式中，求得空液晶盒樣品之厚度為20.16 μm。. 43.

(55) 光穿透強度(T). 4. θ1. 3.5. θ2. 3 2.5 2 15. 20. 25. 30. 35. 40. 光入射角度(度). Fig. 3-5.2 光強度對應入射角度關係圖. 實驗中我們分別量測 20 μm、10 μm、8 μm、6 μm、4.65 μm 所製作成的空液晶盒樣品厚度，如表 3-5.1，發現當液晶盒厚度越小其誤差值愈大，其原因為實驗所使用的液晶盒樣品為手工製作，無法使得液晶盒上下基板完全平行，所以會造成量測上的誤差。故實驗中利用 Photospacer 所製作的薄形液晶器件，其液晶盒厚度主要是利用表面粗度儀量測 Photospacer 之厚度，作為液晶盒厚度之依據。. 間隔物大小(um). 量測值(um). 誤差(%). 20 10 8 6 4.65. 20.16348 10.77573 9.293995 6.816639 5.503619. 1% 8% 16% 14% 18%. 表 3-5.1 間隔物厚度與液晶盒厚度量測誤差值。. 44.

(56) 3-6 預傾角量測系統預傾角量測時所需儀器架構如Fig. 3-6.1所示，其主要量測原理在 2-6節有詳細說明。. Fig. 3-6.1 預傾角量測系統。. 預傾角量測方法主要是利用電動旋轉平台轉動液晶樣品，量測光強度對應入射角度之關係，如Fig. 3-6.2所示。本液晶樣品製成條件分別為摩擦入毛深度 0.3 mm 、摩擦次數 3 次、配向膜材料為 JASL-9800-R1(5%)，所使用的液晶為E7。由圖中可以找出對稱點極值之位置在21.4度，並且E7 液晶之ne=1.75，no=1.5231，液晶樣品盒之厚度為20 μm。將上述之參數代入(2-6.4)式中，求得液晶樣品之預傾角(α)值為6.35度。. 45.

(57) Fig. 3-6.2 光穿透強度對應入射角度關係圖。. 46.

(58) 第四章. 配向膜表面特性分析. 液晶分子的排列受配向膜的表面型態與特性影響甚大，本章節主要討論摩擦對配向膜表面型態及表面特性的影響。當摩擦強度參數中的摩擦次數改變時，配向膜表面粗糙度、表面浸潤特性及表面自由能將會有相對應的變化產生，我們也發現這些表面特性的改變將會影響液晶分子的預傾角，以下將詳細介紹及分析配向膜表面型態及特性改變時對液晶器件所帶來的影響性。. 4-1 表面粗糙度實驗中我們利用 AFM 分析配向膜的表面型態，如 Fig. 4-1.1 所示，其中 Fig. 4-1.1(a)顯示未經過摩擦配向之配向膜表面型態，Fig. 4-1.1(b)~(g)分別為配向膜表面經摩擦 1~6 次的表面型態。由圖中我們發現配向膜未經摩擦時，其表面型態較為光滑且平坦，當配向膜經摩擦後，其表面型態起伏隨著摩擦次數增加逐漸變大。其中在摩擦 3 次時配向膜表面逐漸形成較為明顯的溝槽型態，而在摩擦 4 次時形成銳利的溝槽結構，當摩擦 5 次時其溝槽深度逐漸增加，直到摩擦 6 次時表面溝槽型態將漸漸被抹除。. 47.

(59) Fig. 4-1.1 不同摩擦次數之配向膜表面型態。(a)~(g)分別為配向膜表面經摩擦 0~6 次的表面型態。 48.

(60) Fig. 4-1.2 為配向膜平均表面粗糙度與摩擦次數之關係圖。由圖中可以發現在摩擦 0~2 次時，配向膜平均表面粗糙度逐漸增加，當摩擦次數到達第 3 次時表面粗糙度將下降至 0.35 nm 左右。而摩擦次數增加至 4~5 次時，配向膜表面粗糙度變化較為劇烈，呈現正斜率上升狀態。在第 6 次摩擦時表面粗糙度下降約 0.15 nm，整個表面粗糙度對應摩擦次數的曲線變化過程呈現類似 sinc 函數的變化。由於摩擦 3 次的配向膜具有配向時所需之溝槽型態，且表面粗糙度約為 0.35 nm 左右，相較於摩擦次數 4~5 次的配向結構具有更佳的表面平坦特性，. 平均表面粗糙度(nm). 所以在實驗中我們採用此摩擦參數作為液晶器件配向的最佳參數。. 0.6. 0.5. 0.4. 0.3 0. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 摩擦次數(N). Fig. 4-1.2 配向膜表面粗糙度對應摩擦次數曲線圖。. 49.

(61) 4-2. 動態接觸角在分析配向膜表面浸潤特性及液滴在配向膜表面的流動特性. 時，我們使用接觸角量測儀量測液滴在配向膜表面流動過程中的動態接觸角。由於表面濕潤特性及流動特性常以水的接觸角大小作為基準，所以在動態接觸角的量測中，我們以高純度的去離子水做為量測液體。並在液滴於配向膜表面流動時量測其前進接觸角及後退接觸角，藉由前進接觸角與後退接觸角的差值即可得到接觸角延遲量，由得到的接觸角延遲量數值大小，能夠讓我們進ㄧ步了解配向膜與液滴接觸時的相關動態資訊。由於量測中所使用之去離子水受環境影響甚大，所以在量測表面溼潤特性時，我們在液體滴至配向膜表面的瞬間以取像 CCD 馬上作液體接觸角的量測。Fig. 4-2.1 為去離子水在配向膜表面的瞬間接觸角與摩擦次數的關係圖。由圖中可發現配向膜表面經摩擦後，水的接觸角急遽下降至 75 度左右，然而隨著摩擦次數的增加水的接觸角逐漸上升到 83 度左右。其中配向膜表面浸潤特性在經過摩擦後，其表面順、逆摩擦方向產生極為明顯的差異，去離子水的接觸角在順摩擦方向皆比逆摩擦方向大。由此以上結果可以知道經摩擦 1 次後的配向膜表面較為親水，但隨著摩擦次數增加配向膜表面拒水性漸漸增強，而在摩擦 3 次之後接觸角大小呈現穩定小幅震盪波形。另外在順摩擦. 50.

(62) 方向與逆摩擦方向對應去離子水接觸角大小的曲線圖中也可以發現，配向膜表面浸潤特性在順摩擦方向較為拒水、逆摩擦方向較為親水。. 順摩擦方向. 逆摩擦方向. 接觸角(度). 85 80 75 70 0. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 摩擦次數 (N). Fig. 4-2.1 去離子水接觸角對應摩擦次數曲線圖。. Fig. 4-2.2 為去離子水在配向膜表面上的前進接觸角與摩擦次數的關係圖，由圖中我們發現其曲線變化與水的接觸角曲線變化相似。配向膜表面經摩擦後會造成水的前進接觸角降低至 80 度左右，隨著摩擦次數增加水的前進接觸角也隨之上升至 85 度以上，但水的前進接觸角在順、逆摩擦方向的差異性較為不明顯。. 51.

(63) 前進接觸角(度). 順摩擦方向. 逆摩擦方向. 95 90 85 80 75 0. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 摩擦次數 (N). Fig. 4-2.2 前進接觸角對應摩擦次數曲線圖。. Fig. 4-2.3 為去離子水在配向膜表面上後退接觸角與摩擦次數關係圖，由圖中可以得知配向膜經摩擦過後造成水的後退接觸角變小，但隨著摩擦次數的增加水的後退接觸角也逐漸變大。並且我們發現摩擦後的配向膜表面對於後退接觸角的變化較為敏感，其中後退接觸角在順摩擦方向比逆摩擦方向大。. 後退接觸角(度). 順摩擦方向. 逆摩擦方向. 59 54 49 44 39 0. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 摩擦次數 (N). Fig. 4-2.3 後退接觸角對應摩擦次數曲線圖。. 由前進接觸角與後退接觸角相減之後的差值可得到配向膜表面 52.

(64) 接觸角延遲量，Fig. 4-2.4 為配向膜表面接觸角延遲量與摩擦次數的關係圖。由圖中可以得知當配向膜表面經摩擦配向後會導致接觸角延遲量上升，但隨著摩擦次數的增加，接觸角延遲量逐漸的變小，且順摩擦方向接觸角延遲量均小於逆摩擦方向接觸角延遲量，其中摩擦 3 次的配向膜表面在順、逆摩擦方向之接觸角延遲量相當。藉由接觸角延遲量的變化曲線圖，我們可以得知摩擦會造成配向膜表面流動特性變差，但隨著摩擦次數的增加，配向膜表面流動特性逐漸變好。且配向膜表面經摩擦後，其表面順、逆摩擦方向具有明顯的流動特性差異，在順摩擦方向表面流動特性較逆摩擦方向佳，其中摩擦 3 次的配向膜在順、逆摩擦方向的表面流動特性相當。. 接觸角延遲量(度). 順摩擦方向. 逆摩擦方向. 38 36 34 32 30 28 0. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 摩擦次數(N). Fig. 4-2.4 配向膜表面接觸角延遲量對應摩擦次數曲線圖。. 53.

(65) 4-3 靜態接觸角實驗中我們利用接觸角量測儀分別量測不同液體在配向膜表面上各方位角的靜態接觸角，經由 Owens-Wendt-Rabel and Kaelble method 計算後可得到配向膜表面各方位角的表面自由能。由於表面自由能為瀰散部分與極性部分疊加而成，藉由這兩部分的分析可以更加了解配向膜表面特性的變化。在表面自由能的分析中，由於環境的溼度、溫度等變化會造成接觸角量測數據產生偏差量，所以在實驗中必須了解量測時的溫度與溼度對各種液滴接觸角的影響性，藉此提高量測時的準確度。以下各量測液滴的接觸角對應時間之變化數據皆在室溫為 24°C 及濕度 62 下完成。由實驗中接觸角對應時間之量測數據可得到接觸角與量測時間點之間的關係。當量測過程中，液滴接觸角於配向膜表面產生最小變動量時所對應的時間區間，即可拿來作為接觸角量測時的數據取樣時間，藉由此時間點的選擇，可大大的降低環境所帶來的實驗誤差。實驗中二碘甲烷為滴下液滴 10 分鐘以後開始取樣，甘油為滴下液滴 5 分鐘以後開始取樣，乙二醇為滴下液滴 5 分鐘以後開始取樣，乙二醇 40%加水 60%為滴下液滴 10 分鐘以後開始取樣，如 Fig. 4-3.1 所示。. 54.

(66) Fig. 4-3.1 實驗中測試液體的穩定時間。. Fig. 4-3.2 為不同摩擦次數下配向膜表面各方位角之表面自由能分佈圖形，其中 N0 為配向膜未經摩擦配向；N1~N6 分別為摩擦 1~6 次。由圖中我們可以很清楚的看到表面自由能於溝槽兩側成對稱性分布，並呈現 8 字形的對稱圖形。為了簡化實驗數據分析，我們只要了解溝槽單側表面自由能變化情形，即可掌握配向膜表面各方位角的表面自由能分佈資訊，所以以下討論將只展現方位角為 0~180 度之間的表面自由能變化情形。. 55.

(67) N0. N1. N2. N3. N4. N5. N6. 0 345. 15. 330. 30. 315. 45. 300. 60. 285. 75. 270. 90. 255. 105. 240. 120 225. 135 210. 150 195. 165 180. Fig. 4-3.2 配向膜各方位角之表面自由能分佈圖形。. Fig. 4-3.3 為配向膜表面不同方位角對應表面自由能的曲線圖， N0 為配向膜表面未經摩擦配向，N1~N6 分別為摩擦次數 1~6 次。由圖中可以清楚知道未經過摩擦配向的配向膜各方向角之表面自由能數值是相近的。當配向膜表面經摩擦配向後，其表面自由能最小值皆出現在方位角為 90 度的位置。. 56.

(68) 表面自由能(mN/m). N0. N1. N2. N3. N4. N5. N6. 42 40 38 36 34 32 0. 15 30 45 60 75 90 105 120 135 150 165 180. 方位角(deg.). Fig. 4-3.3 表面自由能對應不同摩擦方位角曲線圖。. 討論完配向膜各方位角的表面自由能分布後，接下來我們針對摩擦次數對於配向膜順、逆摩擦方向之表面自由能的影響作討論。由 2-4 節中的理論我們可以知道當表面自由能小時，表面會較為拒水。 Fig. 4-3.4 為不同摩擦次數下配向膜表面自由能變化曲線圖，由圖中可知配向膜表面經第 1 次摩擦，表面自由能會呈現上升的趨勢。在第 2 次摩擦後，配向膜表面自由能隨著摩擦次數的增加而下降，其中也發現表面自由能在逆摩擦方向較順摩擦方向大。由此可知摩擦次數的增加會造成配向膜表面拒水性增強，且在順摩擦方向較逆摩擦方向拒水。. 57.

(69) 表面自由能(mN/m). 順摩擦方向. 逆摩擦方向. 42 40 38 36 34 0. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 摩擦次數(N). Fig. 4-3.4 表面自由能對應摩擦次數曲線圖。. 表面自由能中又可分為瀰散自由能與極性自由能，以下將分別討論摩擦次數對於瀰散自由能及極性自由能的影響。Fig. 4-3.5 為配向膜表面經不同摩擦次數後瀰散自由的變化，由圖中可以得知隨著摩擦次數的增加，配向膜表面瀰散自由能逐漸變小。且在逆摩擦方向瀰散自由能大於順摩擦方向，其中在摩擦 3 次時配向膜表面瀰散自由能相當。. 瀰散自由能(mN/m). 順摩擦方向. 逆摩擦方向. 39 38 37 36 35 34 33 32 0. 1. 2. 3. 4. 5. 摩擦次數(N). Fig. 4-3.5 表面瀰散能對應摩擦次數曲線圖。. 58. 6.

(70) Fig. 4-3.6 為配向膜表面經不同摩擦次數後極性自由能的變化，由圖中可以得知配向膜表面經第 1 次摩擦時，其極性自由能上升至 3 mN/m。在第二次摩擦後，配向膜表面極性自由能下降至 2 mN/m 呈現穩定值，其中配向膜表面在順、逆摩擦方向的表面極性能差異不大。由以上討論可以得知摩擦配向對於配向膜表面瀰散自由能影響性較大。. 極性自由能 (mN/m). 順摩擦方向. 逆摩擦方向. 4 3 2 1 0 0. 1. 2. 3. 4. 5. 摩擦次數(N). Fig. 4-3.6 表面極性能對應摩擦次數曲線圖。. 59. 6.

(71) 4-4 預傾角我們知道隨著摩擦次數的增加配向膜表面自由能會隨之下降，以下將討論配向膜表面自由能的改變對液晶分子預傾角所造成的影響性。實驗中我們利用預傾角量測系統量測 E7 液晶樣品，在不同摩擦次數下之液晶分子預傾角變化，如 Fig. 4-4.1 所示。由圖中我們可以看到當在摩擦 1 次時，液晶樣品之預傾角為 6.15 度。隨著摩擦次數的增加，液晶樣品之預傾角也隨之上升，最後在摩擦 6 次時，液晶樣品之預傾角為 6.48 度，上升的幅度約在 1 度以內。由此我們可知預傾角隨配向膜表面自由能下降而呈現小幅度的上昇。. 預傾角角度(度). 6.5 6.4 6.3 6.2 6.1 0. 1. 2. 3. 4. 5. 摩擦次數(N). Fig. 4-4.1 預傾角角度對應不同摩擦次數關係圖。. 60. 6.

(72) 第五章. Photospacer 特性分析. 在本章節中將討論 Photospacer 厚度均勻性與其表面粗糙度的變化。實驗中我們發現當塗布轉速較高時，Photospacer 厚度具有較佳的均勻性與較小的表面粗糙度，且曝光顯影前後所量得的膜厚與表面粗糙度具有些微的差異。另外在點狀 Photospacer 密度變化對配向膜表面特性影響的探討中，我們發現當 Photospacer 分布密度愈小時對表面特性的影響較小。. 5-1 Photospacer 厚度均勻性及表面粗糙特性之探討在 3-3 節中所提不同塗布轉速之最佳曝光參數的選擇，是由於在不同轉速下當曝光時間過少時，會造成曝光顯影前後 SU-8 光阻薄膜厚度與塗布轉速關係產生較大的差異。由 Fig. 5-1.1 中可發現當塗布轉速在 1000~2000 rpm 時，SU-8 薄膜厚度變化較為劇烈。在塗布轉速大於 3000 rpm 後，其薄膜厚度下降趨勢較為平緩，利用大於 3000 rpm 的塗布轉速可得到較為ㄧ致的薄膜厚度。由於我們採用較佳的曝光時間參數，所以我們可控制曝光顯影前後 SU-8 薄膜厚度差異落在 0.1 μm 以內。使我們可以有效的製作出所預期的 Photospacer 厚度。 SU-8 薄膜平均表面粗糙度對應旋轉塗布轉速關係，如 Fig. 5-1.2 所示。由圖中我們可以清楚的知道當塗布轉速大於 3000 rpm 後，所製作的 SU-8 薄膜平均表面粗糙度較小，利用大於 3000 rpm 的塗布轉 61.

(73) 速可得到較為平坦的 SU-8 薄膜表面。我們發現在小 2000 rpm 的塗布轉速下，曝光顯影後的 SU-8 薄膜其表面粗糙度較未曝光顯影前高。. SU-8膜厚(μm). 曝光顯影前. 曝光顯影後. 7 6 5 4 3 2 1 0 0. 1000. 2000. 3000. 4000. 5000. 6000. 旋轉塗布轉速(rpm). Fig. 5-1.1 薄膜厚度對應旋轉塗布轉速曲線圖。. SU-8薄膜平均表面粗糙度(μm). 曝光顯影前. 曝光顯影後. 1.5 1 0.5 0 0. 1000. 2000. 3000. 4000. 5000. 6000. 旋轉塗布轉速(rpm). Fig. 5-1.2 平均表面粗糙度對應旋轉塗布轉速曲線圖。. 由以上討論我們可以知道 SU-8 薄膜在塗布轉速大於 3000 rpm 時，Photospacer 的製程較為穩定。並且為了避免塗布轉速因系統誤差而落於 3000 rpm 以下的位置，所以在實驗中我們皆採用 4000 rpm 的塗布轉速製作 Photospacer，藉由此參數的選擇我們可有效的控制 Photospacer 厚度的偏差量在 1.08±0.1 μm 以內。 62.

(74) 5-2 Photospacer 密度對配向膜表面特性的影響實驗中我們對具有不同密度之點狀 Photospacer 的基板作接觸角延遲量與表面自由能分析。我們製作厚度為 1.08 μm 、大小為 20μm×20μm 的點狀 Photospacer 於基板上，然後塗布 PI(JALS-9800-R1) 於基板上，再對配向膜表面做摩擦配向，其摩擦次數為 3 次，並利用接觸角量測儀量測配向膜表面特性，其量測結果如表 5-2.1。靜態 Photospacer. 接觸角延遲量. 表面自瀰散自極性自. 密度由能. 由能. 由能. 2. (個/cm ) 0 10.7 32 46.7 71.6. (mN/m) (mN/m) (mN/m) 36.34 34.42 1.92 36.25 33.34 2.91 34.87 33.52 1.35 33.22 32.21 1.01 35.78 33.84 1.94. 影響性. 順摩擦. 逆摩擦. 小(○). 方向. 方向. 大(x). 39.8 39.5 41.7 41.4 40.2. 43.6 43.9 43.7 41.7 42.3. ○ ○ x x x. 表 5-2.1 Photospacer 對配向膜表面特性的影響。我們從實驗結果發現 Photospacer 密度為 10.7 個/cm2 的配向膜表面特性與單純 PI 的配向膜表面特性較為相似，並且發現當 Photospacer 密度增加時，會造成配向膜表面特性的改變。為了避免配向膜表面特性受到 Photospacer 影響，必須謹慎的考慮 Photospacer 的密度分布，由於實驗中測試的圖騰數量有限，無法得到最佳的 Photospacer 密度分布。 63.

(75) 第六章. 鐵電液晶配向分析. 在本章節中將探討不同液晶灌注方向下，Photospacer 與配向膜表面特性對於表面穩定鐵電液晶配向的影響。由於表面穩定鐵電液晶配向時所需的表面條件較為嚴苛，所以在不佳的表面配向條件時 SSFLCD 容易產生 zigzag 缺陷，而造成 SSFLCD 驅動時產生各種不良現象，例如漏光現象會使對比度降低。在此我們利用偏光顯微鏡觀察 SSFLCD 的光學圖像，並且量測 SSFLCD 在暗態時的光穿透強度，以判斷表面穩定鐵電液晶配向的好壞。. 6-1 Photospacer 對鐵電液晶配向之影響由 5-1 與 5-2 節中的討論，我們知道塗布轉速對 Photospacer 厚度的影響與 Photospacer 密度對配向膜表面特性的影響，所以我們使用製程較為穩定的 Photospacer 膜厚參數及對配向膜表面特性影響較小的密度參數來製作 SSFLCD 中的間隔物。在本節中將探討在不同液晶灌注方向時，Photospacer 對表面穩定鐵電液晶配向時所造成的影響。其中我們分別採用密度為 0 個/cm2 的線狀 Photospacer 與密度為 10.7 個/cm2 的點狀 Photospacer，配向膜之摩擦條件為摩擦 3 次，液晶灌注方向分別為順摩擦方向灌注與逆摩擦方向灌注。 Fig. 6-1.1 為線狀 Photospacer 在 SSFLCD 中的光學圖像，其中 Fig. 6-1.1(a)為液晶灌注方向為順摩擦方向時的 SSFLCD 之光學圖像，而 64.

(76) Fig. 6-1.1(b)為液晶灌注方向為逆摩擦方向時的 SSFLCD 之光學圖像。由圖中我們可以看到表面穩定鐵電液晶在線狀 Photospacer 邊界的區域產生與其他區域不同的配向效果，其中我們可以發現在順摩擦方向灌注時，表面穩定鐵電液晶在線狀 Photospacer 邊界所產生的液晶配向效果較佳。而在逆摩擦方向灌注時，表面穩定鐵電液晶受到 Photospacer 邊界影響較大而產生較差的液晶配向效果。. Fig. 6-1.1 線狀 Photospacer 之 SSFLCD 光學圖像。. 另外在對點狀 Photospacer 之 SSFLCD 的光學圖像觀察中，由於點狀 Photospacer 分佈區域較廣，在小倍率顯微鏡下不易觀察，所以我們將以大倍率下所觀察到之單顆點狀 Photospacer 週遭液晶光學圖像說明其相關影響性。Fig. 6-1.2 為點狀 Photospacer 在 SSFLCD 中的光學圖像，其中 Fig. 6-1.2(a)為 SSFLCD 在液晶灌注方向為順摩擦方向時的光學圖像，Fig. 6-1.2(b)為 SSFLCD 的液晶灌注方向為逆摩擦. 65.

(77) 方向時的光學圖像。由於在液晶樣品未經旋轉前，點狀 Photospacer 對表面穩定鐵電液晶的影響較不容易觀察，因此我們將液晶樣品做小角度的旋轉，藉此觀察點狀 Photospacer 週遭液晶光學圖像變化情形。由圖中我們可以知道在順摩擦方向灌注時，表面穩定鐵電液晶在 Photospacer 邊界處所產生的配向效果較佳。而在逆摩擦方向灌注時，表面穩定鐵電液晶在 Photospacer 邊界處會產生與其他區域不同的配向效果，此區域光學圖像的形狀與 Photospacer 形狀類似，且該配向區域只在 Photospacer 某ㄧ邊界處產生。. Fig. 6-1.2 點狀 Photospacer 之 SSFLCD 光學圖像。. 66.

(78) 經由以上討論我們知道，不論是線狀或點狀的 Photospacer 皆會對表面穩定鐵電液晶配向造成影響，使得在 Photospacer 邊界的區域產生與其他區域不同的表面穩定鐵電液晶配向效果。尤其在液晶灌注方向為逆摩擦方向時，表面穩定鐵電液晶配向更加容易受 Photospacer 的影響，而在 Photospacer 邊界處產生較大的不ㄧ致配向區域。. 67.

(79) 6-2 配向膜表面特性對鐵電液晶配向之影響由於點狀 Photospacer 為平均分布於基板表面，因此容易造成量測 SSFLCD 之光穿透強度時數値的誤差。所以在本節中討論配向膜表面特性對表面穩定鐵電液晶配向的影響時，採用厚度為 1.08μm 的線狀 Photospacer 作為 SSFLCD 之間隔物。由於表面穩定鐵電液晶在配向時容易產生 zigzag 缺陷，造成漏光現象而使對比度降低，所以我們利用偏光顯微鏡對不同摩擦參數與液晶灌注方向之 SSFLCD 作光學圖像的拍攝，並利用預傾角量測系統量測 SSFLCD 在暗態時的光穿透強度，以判斷表面穩定鐵電液晶的配向效果。 Fig. 6-2.1(a)~(f)分別為 SSFLCD 在順摩擦方向灌注、摩擦次數為 1~6 次的光學圖像，由圖中可發現表面穩定鐵電液晶在摩擦次數為 3 次時有較佳的配向效果，且當摩擦次數再持續增加後 SSFLCD 中的 zigzag 缺陷也逐漸變多。 Fig. 6-2.2(a)~(f)分別為 SSFLCD 在逆摩擦方向灌注下、摩擦次數為 1~6 次的光學圖像，由圖中可發現表面穩定鐵電液晶在摩擦次數為 3 次時有較佳的配向效果，且當摩擦次數再持續增加後 zigzag 缺陷也逐漸變多，其中在摩擦條件為摩擦 5 次的 SSFLCD 產生最多缺陷。. 68.

(80) Fig. 6-2.1 順摩擦方向灌注之 SSFLCD 光學圖像。(a)~(f)分別為 SSFLCD 在順摩擦方向灌注、摩擦次數為 1~6 次的光學圖像。. Fig. 6-2.2 逆摩擦方向灌注之 SSFLCD 光學圖像。(a)~(f)分別為 SSFLCD 在逆摩擦方向灌注下、摩擦次數為 1~6 次的光學圖像。 69.

(81) 當我們比較 Fig. 6-2.1 與 Fig. 6-2.2 中同一摩擦參數不同灌注方向時，我們發現表面穩定鐵電液晶的灌注方向在順摩擦方向的配向較逆摩擦方向的配向佳。由 2-2 理論中我們知道 zigzag 缺陷會造成 SSFLCD 在暗態驅動時產生漏光現象。所以為了更加仔細的判斷表面穩定鐵電液晶配向的好壞，我們使用預傾角量測系統量測不同摩擦次數之摩擦條件所製成的 SSFLCD 在暗態時的光穿透強度，如 Fig. 6-2.3 所示。由圖中我們可以清楚的看到，不論是順摩擦方向灌注或是逆摩擦方向灌注的 SSFLCD 在摩擦次數為 3 次時，其暗態光穿透強度皆為最小，這也表示著其具有較佳的配向效果。當表面穩定鐵電液晶灌注方向為順摩擦方向時，其暗態光穿透強度較小，這也說明了表面穩定鐵電液晶在順. 光穿透強度(T). 摩擦方向灌注有較佳的配向效果。. 順摩擦方向灌注. 逆摩擦方向灌注. 2. 4. 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 1. 3. 5. 摩擦次數(N). Fig. 6-2.3 光穿透強度對應摩擦次數曲線圖。. 70. 6.

(82) 第七章. 結論. 由第四章到第六章的分析討論，我們可以利用 SU-8 光阻製作厚度均勻的 Photospacer，並有效的改善薄型器件液晶盒厚度之不均的問題。藉由配向膜表面特性以及灌注方向的探討，我們可使得表面穩定鐵電液晶達到均勻ㄧ致的配向。以下對本研究做最後的結論。. 1. 配向膜表面特性 (1) 配向膜經摩擦後，其平均表面粗糙度變化曲線呈現類似 sinc 函數的變化，且在摩擦 3 次時配向膜表面型態較為平坦。 (2) 配向膜表面經摩擦後，在順摩擦方向拒水性較逆摩擦方向強。且隨著摩擦次數增加會造成配向膜表面拒水性增強，而使的配向膜表面流動特性變好。其中在摩擦 3 次時配向膜表面在順、逆摩擦方向流動特性相當。 (3) 配向膜表面經摩擦後，配向膜表面各摩擦方位角之表面自由能呈現對稱分布，且在摩擦方位角 90 度時有最小值。隨著摩擦次數增加，配向膜表面自由能與瀰散自由能皆呈現下降的趨勢，並且在逆摩擦方向之表面自由能與瀰散自由能皆大於順摩擦方向。而配向膜表面極性自由能在經摩擦 2 次後呈現穩定值。 (4) 預傾角隨配向膜表面自由能下降而呈現小幅度的上昇，其上升幅度在 1 度以內。 (5) 當配向膜表面順、逆摩擦方向浸潤特性相同，且液晶灌注方向為 71.